电化学原理及应用(45分钟 100分)一、选择题(本题包括6小题,每小题6分,共36分)1.葡萄糖氧化是人体获得能量的途径之一。某同学利用葡萄糖的氧化反应原理,设计了如图所示的装置。下列说法正确的是 ( )A.若形成原电池时,B极是负极B.加入H2SO4,溶液中H+向A极移动C.加入NaOH,A的电极反应式为 C6H12O6-24e-+36OH-====6C+24H2OD.不再添加任何试剂,该装置即能获得电流2.(2022·天津市重点中学联考)金钒氧化还原液流电池是一种新型电能储存和高效转化装置,该电池是将具有不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质,分别储存在各自的酸性电解液储罐中。其结构原理如图所示,该电池放电时,右槽中的电极反应为V2+-e-====V3+,下列说法正确的是 ( )A.放电时,右槽发生还原反应B.放电时,左槽电解液pH升高C.充电时,阴极的电极反应式: V+2H++e-====VO2++H2OD.充电时,每转移1mol电子,n(H+)的变化量为1mol3.某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时,先断开K2,闭合K1,两极均有气泡产生;一段时间后,断开K1,闭合K2,发现电流表A指针偏转。下列有关描述正确的是 ( )A.断开K2,闭合K1时,总反应的离子方程式为 2H++2Cl-Cl2↑+H2↑B.断开K2,闭合K1时,石墨电极附近溶液变红C.断开K1,闭合K2时,铜电极上的电极反应式为 Cl2+2e-====2Cl-D.断开K1,闭合K2时,石墨电极作正极4.(2022·新课标全国卷Ⅱ)“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示,电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错误的是 ( )-7-\nA.电池反应中有NaCl生成B.电池的总反应是金属钠还原三价铝离子C.正极反应为:NiCl2+2e-====Ni+2Cl-D.钠离子通过钠离子导体在两电极间移动5.(2022·安徽高考)热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca====CaCl2+Li2SO4+Pb。下列有关说法正确的是 ( )A.正极反应式:Ca+2Cl--2e-====CaCl2B.放电过程中,Li+向负极移动C.每转移0.1mol电子,理论上生成20.7gPbD.常温时,在正负极间接上电流表或检流计,指针不偏转6.(2022·天津南开区月考)工业历史上曾先后采用下列方法制备金属钠：①用石墨作电极电解熔融氢氧化钠制钠 ②铁与熔融氢氧化钠作用制钠的反应方程式为3Fe+4NaOH(熔)Fe3O4+2H2↑+4Na ③电解熔融氯化钠。下列有关说法不正确的是( )A.电解熔融氢氧化钠的反应为2NaOH(熔)2Na+O2↑+H2↑B.在电解熔融氯化钠的电解槽(如上图)中,石墨为阳极,铁为阴极C.电解熔融氯化钠时,Na+向阴极移动D.方法①与②制得等量的钠,两反应中转移的电子数之比为2∶1二、非选择题(本题包括4小题,共64分)7.(15分)某小组同学设想用如图装置电解硫酸钾溶液来制取氧气、氢气、硫酸和氢氧化钾。-7-\n(1)X极与电源的 (填“正”或“负”)极相连,氢气从 (填“A”“B”“C”或“D”)口导出。(2)离子交换膜只允许一类离子通过,则M为 (填“阴离子”或“阳离子”,下同)交换膜,N为 交换膜。(3)若将制得的氢气、氧气和氢氧化钾溶液组合为氢氧燃料电池(石墨为电极),则电池负极的反应式为 。(4)若在标准状况下,制得11.2L氢气,则生成硫酸的质量是 ,转移的电子数为 。8.(14分)(2022·天津高考)X、Y、Z、M、G五种元素分属三个短周期,且原子序数依次增大。X、Z同主族,可形成离子化合物ZX；Y、M同主族,可形成MY2、MY3两种分子。请回答下列问题：(1)Y在元素周期表中的位置为 。(2)上述元素的最高价氧化物对应的水化物酸性最强的是 (写化学式),非金属气态氢化物还原性最强的是 (写化学式)。(3)Y、G的单质或两元素之间形成的化合物可作水消毒剂的有 (写出其中两种物质的化学式)。(4)X2M的燃烧热ΔH=-akJ·mol-1,写出X2M燃烧反应的热化学方程式： 。(5)ZX的电子式为 ；ZX与水反应放出气体的化学方程式为 。(6)熔融状态下,Z的单质和FeG2能组成可充电电池(装置示意图如图),反应原理为：2Z+FeG2Fe+2ZG放电时,电池的正极反应式为 ；充电时, (写物质名称)电极接电源的负极；该电池的电解质为 。9.(15分)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料,两电极上分别通入CH4和O2,电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源,进行饱和氯化钠溶液电解实验,如图所示。-7-\n回答下列问题:(1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为 、 。(2)闭合K开关后,a、b电极上均有气体产生,其中b电极上得到的是 ,电解氯化钠溶液的总反应方程式为 。(3)若每个电池甲烷通入量为1L(标准状况),且反应完全,则理论上通过电解池的电量为 (法拉第常数F=9.65×104C·mol-1,列式计算),最多能产生的氯气体积为 L(标准状况)。10.(20分)(1)甲醇(CH3OH)是重要的能源物质,研究甲醇具有重要意义。为提高甲醇燃料的利用率,科学家发明了一种燃料电池,电池的一个电极通入空气,另一个电极通入甲醇气体,电解质是掺入了Y2O3的ZrO2晶体,在高温下它能传导O2-。电池工作时正极反应式为 。若以该电池为电源,用石墨做电极电解100mL含有如下离子的溶液。离子Cu2+H+Cl-c/mol·L-11441电解一段时间后,当两极收集到相同体积(相同条件)的气体时(忽略溶液体积的变化及电极产物可能存在的溶解现象),阳极上收集到氧气的物质的量为 mol。(2)甲醇对水质会造成一定的污染,有一种电化学法可消除这种污染,其原理是:通电后将Co2+氧化成Co3+,然后以Co3+做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO2而净化。实验室用下图装置模拟上述过程:①写出阳极电极反应式 ;②除去甲醇的离子反应为6Co3++CH3OH+H2O====CO2↑+6Co2++6H+,该过程中被氧化的元素是 ,当产生标准状况下2.24LCO2时,共转移电子 mol。-7-\n答案解析1.【解析】选C。本题考查原电池原理的应用、电极反应式的书写、离子流向等。根据题图若形成原电池时,B极通入氧气发生还原反应,是正极,阳离子移向正极,A、B项错误;C项正确;葡萄糖是非电解质,不能导电,因此要向葡萄糖溶液中加入电解质,才能获得电流,D错误。2.【解析】选B。本题考查原电池、电解池的反应和计算等。放电时:右槽是负极半电池,发生氧化反应,A项错误;左槽发生反应:V+e-+2H+====VO2++H2O,B项正确;充电时阴极反应为V3++e-====V2+,C项错误;每转移1mol电子,H+的变化量为2mol,D项错误。3.【解析】选D。断开K2,闭合K1时,装置为电解池,两极均有气泡产生,则反应为2Cl-+2H2OH2↑+2OH-+Cl2↑,石墨为阳极,铜为阴极,因此石墨电极处产生Cl2,在铜电极处产生H2,附近产生OH-,溶液变红,故A、B两项均错误;断开K1、闭合K2时,为原电池反应,铜电极反应为H2-2e-+2OH-====2H2O,为负极,而石墨电极反应为Cl2+2e-====2Cl-,为正极,故C项错误,D项正确。4.【解析】选B。金属钠失电子变为钠离子,NiCl2中的Ni2+被还原,剩余Cl-,故有氯化钠生成,A项正确;电池的总反应应该是金属钠还原Ni2+,B项错误;正极反应为Ni2+得电子生成金属镍,C项正确;钠离子导体可以传导钠离子,故钠离子可以在两极间移动,D项正确。5.【解析】选D。正极应是得电子发生还原反应,故为PbSO4+2e-====Pb+S,A错误;放电过程为原电池,阳离子向正极移动,B错误;每转移0.1mol电子,生成0.05molPb,为10.35g,C错误;由题意“热激活”表明该电池应在加热的条件下工作,故常温下电解质不能熔化,不能形成原电池,指针不偏转,D正确。【解题技巧】电解计算的一般解题思路(1)先看阳极材料,是活性电极还是惰性电极。(2)找全离子,将溶液中的所有离子按阴阳离子分开。(3)根据电子守恒,串联电路中转移的电子数目相同,即阴离子(活泼电极)失的电子数等于阳离子得的电子数,列出关系式进行计算。6.【解析】选D。电解熔融NaOH时,阳极发生反应：4OH--4e-====2H2O+O2↑；阴极发生反应：4Na++4e-====4Na,其中生成的2molH2O又会反应掉2molNa生成2molNaOH和1molH2,故总反应为2NaOH2Na+O2↑+H2↑,A项正确；题图电解装置中,铁为阴极,发生反应为4Na++4e-====4Na；石墨为阳极,发生反应为4OH--4e-====2H2O+O2↑,熔融状态下(温度很高),Fe与H2O反应生成Fe3O4和H2,B项正确；电解熔融NaCl时,Na+向阴极移动,C项正确；方法①与②若制得等量的钠,转移电子数相等,D项错。7.【解析】题图中左边加入含硫酸的水,暗示左边制硫酸,即OH-在阳极发生氧化反应,使左边溶液中H+增多,为了使溶液呈电中性,硫酸钾溶液中的S通过M交换膜向左边迁移,即M为阴离子交换膜,由此推知X为阳极,与电源正极相连,B出口产生氧气,A出口流出硫酸;同理,右侧加入含KOH的水,说明右边制备KOH溶液,H+在Y极发生还原反应,说明Y极为阴极,与电源负极相连,右边溶液中OH-增多,硫酸钾溶液中K+向右迁移,N为阳离子交换膜,所以C出口产生氢气,D出口流出KOH溶液。(3)若将制得的氢气和氧气在氢氧化钾溶液中构成原电池,正极反应式为O2+2H2O+4e-====4OH-,负极反应式为2H2-4e-+4OH-====4H2O。(4)n(H2)=0.5mol,2H++2e-====H2↑,得电子1mol,X极的反应式为4OH--4e-====2H2O+O2↑,根据得失电子守恒知,生成H+的物质的量为1mol,故生成0.5molH2SO4,m(H2SO4)=49g。答案:(1)正 C (2)阴离子 阳离子-7-\n(3)H2-2e-+2OH-====2H2O(4)49g 6.02×10238.【解题指南】解答本题时按照下列流程：【解析】五种元素分属在三个短周期元素,且原子序数递增,则X为氢,Y不能为氦,因此Z为钠,根据Y和M的位置及其形成化合物的化学式,可知Y为氧元素,M为硫元素,G只能为氯元素。(1)根据原子序数写出原子结构示意图,可以推测元素在周期表中的位置；(2)元素的非金属性越强,元素的最高价氧化物对应的水化物的酸性越强,气态氢化物的还原性越弱；(3)两元素及其化合物能作为消毒剂的有臭氧、氯气、二氧化氯等；(4)燃烧热是1mol可燃物完全燃烧生成稳定的氧化物放出的热量,书写时注意水为液体；(5)根据题干信息,氢化钠为离子化合物,电子式书写时注意阴离子用中括号；(6)根据氧化还原反应的化合价变化判断电池的正负极。答案：(1)第2周期第ⅥA族(2)HClO4 H2S(3)Cl2、O3、ClO2(任写两种,其他合理答案均可)(4)H2S(g)+O2(g)====SO2(g)+H2O(l)ΔH=-akJ·mol-1(5)Na+[∶H]-NaH+H2O====NaOH+H2↑(6)Fe2++2e-====Fe 钠 β-Al2O39.【解析】(1)在碱性环境下,该燃料电池的总反应为CH4+2O2+2OH-====C+3H2O,正极反应为2O2+4H2O+8e-====8OH-,则两式相减得出负极反应为CH4+10OH--8e-====C+7H2O。(2)根据图示得知该装置为两个串联的电源和一个电解池,由于甲烷发生氧化反应因而与甲烷相连的电解池的b极为阴极,产生的气体为氢气。(3)1mol甲烷氧化失去电子8mol,电量为8×9.65×104C,因题中燃料电池是串联的,但电子的传递只能用一个电池计算,由于甲烷失去电子数是氯离子失电子数的8倍,所以有关系式CH4～4Cl2。答案:(1)2O2+4H2O+8e-====8OH-CH4+10OH--8e-====C+7H2O(2)H2 2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑(3)×8×9.65×104C·mol-1=3.45×104C 4-7-\n【答题误区】(1)书写负极反应式时,易忽视电解质溶液的环境,把生成物C写成CO2而导致错误。(2)因漏掉“电解”而导致电解氯化钠溶液的总反应方程式失分。(3)不注意审题,只写结果而不列式计算导致失分。10.【解析】(1)正极上氧气得电子生成氧离子,电极反应式为O2+4e-====2O2-;n(Cu2+)=0.1mol,n(H+)=0.4mol,n(Cl-)=0.4mol,n(S)=0.1mol,要想使两极得到相同体积的气体,阳极上有氧气生成,设氧气的物质的量为x,电解时阴阳极上得失电子数相等,所以0.1mol×2+(x+0.2)mol×2=4x+0.4mol×1,x=0.1mol。(2)①阳极上二价钴离子失电子生成三价钴离子,电极反应式为Co2+-e-====Co3+②失电子的物质作还原剂,被氧化,所以被氧化的是C或碳;6Co3++CH3OH+H2O====CO2↑+6Co2++6H+ 转移e-22.4L6mol2.24L0.6mol故转移电子0.6mol。答案:(1)O2+4e-====2O2- 0.1(2)①Co2+-e-====Co3+ ②C或碳 0.6-7-
